摘要：汽車座椅是整車上的重要零部件，也是整車輕量化研究中必不可少的一部分。本文從汽車座椅的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料應(yīng)用以及工藝優(yōu)化3個(gè)方面介紹了實(shí)現(xiàn)座椅輕量化的方法，并對(duì)其方法和特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)。分析表明：從結(jié)構(gòu)、材料和工藝均能實(shí)現(xiàn)座椅總成中各零件不同程度質(zhì)量的下降。通過選取合適的材料及工藝，并對(duì)其進(jìn)行一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，之后通過不斷調(diào)整優(yōu)化及反復(fù)驗(yàn)證，可研發(fā)出各項(xiàng)指標(biāo)能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且質(zhì)量又能較大幅度下降的汽車整椅。

關(guān)鍵詞：汽車座椅；輕量化設(shè)計(jì)；材料應(yīng)用；成型工藝

0 引言

汽車已成為人們?nèi)粘３鲂兄胁豢苫蛉钡囊徊糠帧２徽撌且曰剂蠟橹饕獎(jiǎng)恿碓吹娜加推?，還是目前國(guó)家大力推動(dòng)的新能源汽車，如何在能耗相同的情況下，使汽車的駕駛里程更長(zhǎng)，是目前車輛工程領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)熱門的研究課題。

汽車的輕量化就是在保證整車強(qiáng)度和剛度的前提下，通過結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)及輕量化材料的使用，達(dá)到減輕整車質(zhì)量的目的。有研究表明，當(dāng)整車質(zhì)量降低10%，燃油汽車的燃油效率可提高6%～8%[1-3]。具體而言，汽車整車質(zhì)量每減少100 kg，其百公里油耗可降低0.3～0.6 L。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，整車質(zhì)量每減少10%，其續(xù)航里程可增加5.5%[4]。

汽車座椅的比重占整車質(zhì)量的8%，在所有汽車零部件系統(tǒng)中排在第四位[5]。所以汽車座椅輕量化相關(guān)研究，對(duì)于整車質(zhì)量的降低至關(guān)重要。已有多家汽車零部件企業(yè)，對(duì)不同品牌的汽車座椅進(jìn)行輕量化開發(fā)。文中重點(diǎn)綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車座椅相關(guān)的輕量化研究進(jìn)展，針對(duì)輕量化原理、角度以及目前存在的困難展開討論，為今后汽車座椅的研發(fā)提供一定的參考。

1 汽車座椅輕量化的方法

目前減少整車質(zhì)量的方法主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料輕量化以及制造工藝3個(gè)方向入手，而汽車座椅作為重要汽車零部件之一，實(shí)現(xiàn)其輕量化的方法與整車所采用的方法基本一致。

1.1 產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化是對(duì)座椅骨架等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方法，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程是：先對(duì)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再簡(jiǎn)化模型，然后將該模型按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行模擬受力過程分析，之后對(duì)結(jié)果中可能存在應(yīng)力集中位置處進(jìn)行不斷結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到輕量化座椅骨架[6]。

盧建志等[7]對(duì)某汽車座椅骨架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，研究結(jié)果表明:在輕量化拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后，該座椅骨架質(zhì)量降低為原座椅骨架的85%。姚為民等[8]采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)某汽車座椅進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，質(zhì)量降低為原座椅骨架質(zhì)量的89.6%。陳紅飛等[9]利用HyperMesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Optistruct求解器對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行靜強(qiáng)度分析滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，之后進(jìn)行材料輕量化設(shè)計(jì)，使座椅最終達(dá)到減重32.96%。

1.2 輕量化材料應(yīng)用

在推進(jìn)汽車減重進(jìn)程中，復(fù)合材料、輕質(zhì)合金材料、鍍鋅高強(qiáng)度鋼、異種材料和特種材料等，被廣泛地應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，成為汽車中包括零部件和車身等制造原料。在不改變座椅結(jié)構(gòu)的情況下，使用密度小的材料，可有效降低產(chǎn)品質(zhì)量。目前汽車座椅上，座椅骨架的質(zhì)量占整椅質(zhì)量60%以上，因此減輕骨架質(zhì)量，可以有效地降低汽車座椅質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)座椅輕量化[10]。目前汽車座椅上使用較多的新材料主要包括金屬材料如鎂合金、鋁合金、高強(qiáng)度鋼等，非金屬材料如由纖維增強(qiáng)的熱塑性、熱固性復(fù)合材料等。

1.2.1 金屬材料

金屬材料由于其強(qiáng)度高，成為汽車座椅骨架的主流材料。座椅骨架是整椅中主要支撐且承受載荷的結(jié)構(gòu)，座椅在整車上作為與乘員最直接接觸的安全件，對(duì)座椅骨架的強(qiáng)度、剛度要求非常高。汽車座椅骨架最常使用的材料為各類合金鋼，由于傳統(tǒng)金屬材料其本身密度高，且相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到加工手段的限制，故制品都十分笨重。而采用鎂合金、鋁合金等輕質(zhì)金屬，材料本身密度低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣，其制品減重明顯。為實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品質(zhì)量的減少，在2018年國(guó)際汽車零部件展覽會(huì)上，安道拓展示了其使用高強(qiáng)度鋼與薄壁矩管材料成功減輕座椅骨架質(zhì)量，并將模塊化、功能化的零件和模具設(shè)計(jì)理念引入進(jìn)來，提升其通用性，進(jìn)而縮短研發(fā)周期；李爾的新一代ECO座椅骨架，也同樣采用了高強(qiáng)度鋼作為座椅骨架原料，可以使汽車座椅質(zhì)量較之前的版本減輕20%左右，其更加靈活的結(jié)構(gòu)使該骨架同時(shí)具有模塊化和通用性的特點(diǎn)。

張光亞等[11]通過將新的鋁合金材料應(yīng)用到座椅骨架上，使得骨架總成靜強(qiáng)度、剛度均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)且比原結(jié)構(gòu)方案有所提高，骨架質(zhì)量減輕了46.6%。高云凱等[12]應(yīng)用鎂合金材料以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使座椅后排骨架質(zhì)量共計(jì)減輕了41.3%。徐棟愷等[13]將超高強(qiáng)鋼應(yīng)用到座椅骨架的部分零件，各零件均減輕25%～35%。

1.2.2 非金屬材料

汽車座椅上使用的較多的非金屬材料主要是塑料及其復(fù)合材料。與金屬材料相比，非金屬材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度優(yōu)異等特點(diǎn)。目前，汽車座椅上的塑料件主要有座椅護(hù)板、手動(dòng)座椅調(diào)節(jié)手柄、電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)開關(guān)、扶手杯托、頭枕導(dǎo)套等。

目前非金屬材料在整車輕量化中的應(yīng)用已十分廣泛，在日本美國(guó)等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，車用高分子材料占全車身材料近12%，與金屬材料相比，近年來高分子材料在汽車上的應(yīng)用得到了空前絕后的發(fā)展[14]。2021款豐田塞納為克服上一代第三排座椅質(zhì)量大，導(dǎo)致車身笨重的缺點(diǎn)，座椅背板設(shè)計(jì)采用了巴斯夫含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的玻纖增強(qiáng)尼龍(PA)原料，在研發(fā)過程中使用Ultrasim熱塑性材料成型仿真軟件，得到第一款全注塑座椅靠背。該靠背在滿足座椅的延伸率、沖擊強(qiáng)度要求以外，同時(shí)滿足其作為承重地板的強(qiáng)度要求。最終該款非金屬材料背板組裝而成的第三排整椅減小30%，合計(jì)節(jié)省15%的成本。

張?jiān)魄嗟萚15]論證了前端框架日趨精益輕量化的趨勢(shì)，重點(diǎn)討論了全塑前端模塊的目前發(fā)展?fàn)顩r。陳杰龍[16]通過對(duì)全塑翼子板材料的選擇與討論，最終成功制備出質(zhì)量減輕40%的塑料翼子板，并且具有良好的吸能性，在汽車發(fā)生碰撞的時(shí)候自行恢復(fù)。張松峰等[17]綜述了EPP材料在整車內(nèi)飾件上的應(yīng)用，與傳統(tǒng)坐墊發(fā)泡對(duì)比，EPP可以在座椅坐墊中起到鋼材骨架的作用，使得汽車座椅獲得較大減重比。汪慶洋[18]研究了碳纖維材料替換汽車后排金屬座椅骨架的方案，最終設(shè)計(jì)出比金屬骨架減重40%的碳纖維座椅骨架。汽車零部件供應(yīng)商赫氏也積極與原材料供應(yīng)商展開合作，已成功開發(fā)出一種碳纖和木纖共混增強(qiáng)的復(fù)合材料座椅，這種輕量化的座椅靠背減少了40%的質(zhì)量，相比全碳纖維部件，CO2排放也明顯降低且安全性與吸音效果也顯著提高。

1.3 先進(jìn)成型工藝

當(dāng)座椅的結(jié)構(gòu)以及材料無法發(fā)生改變時(shí)，需要在原有結(jié)構(gòu)和材料的基礎(chǔ)上通過加工工藝的優(yōu)化，達(dá)到輕量化的目的。工藝優(yōu)化主要有兩種思路：①可以從原有的加工方法上進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，使成型過程達(dá)到更好的成型效果，產(chǎn)品具有更優(yōu)的性能；②可以應(yīng)用一些創(chuàng)新工藝，如：激光焊接、低壓鑄造、粉末冶金、微發(fā)泡、SMC等可有效降低座椅部件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)整椅輕量化[19]。

1.3.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)座椅零件的生產(chǎn)設(shè)備及原料確定后，工藝參數(shù)則成為影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的最大因素，好的工藝參數(shù)可以優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)，在宏觀表現(xiàn)為材料性能的提高，如針對(duì)注塑成型：當(dāng)注射溫度提高時(shí)，高分子材料黏度低，產(chǎn)品充填效果好，且可成型薄壁零件，但注射溫度過高，材料易焦煳，產(chǎn)品品質(zhì)差[20]；當(dāng)保壓壓力越高則產(chǎn)品補(bǔ)縮效果越好，產(chǎn)品出現(xiàn)縮痕等缺陷的可能性越低，但保壓壓力越高，產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力越高，則出現(xiàn)翹曲變形的變形量越大[21]。

代雷霆等[22]采用Moldflow注塑模流分析軟件聯(lián)合Abaqus力學(xué)分析軟件，通過對(duì)座椅塑料大護(hù)板注塑工藝參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，最終得出模具溫度和熔體溫度越高，保壓壓力在較低情況下，應(yīng)力分布越均勻，所得產(chǎn)品力學(xué)性能越好。

李登云等[23]將熱處理工藝應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，對(duì)某款車型座椅骨架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，通過工藝參數(shù)優(yōu)化使得試驗(yàn)材料拉伸強(qiáng)度提高25%，進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化后座椅骨架減重1.38 kg。

龍少雄等[24]對(duì)彈簧類汽車零件進(jìn)行鑄造成型仿真，通過不斷優(yōu)化成型工藝參數(shù)，并結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到了安全系數(shù)提高25%，質(zhì)量降低58.1%的輕量化汽車零部件。

昶立杰等[25]通過對(duì)4種注塑方式分別進(jìn)行模流分析和動(dòng)力學(xué)仿真，得出了澆口位置對(duì)于產(chǎn)品力學(xué)性能的影響，在其他工藝參數(shù)合適時(shí)，澆口位置靠下，則產(chǎn)品的力學(xué)性能越優(yōu)。

1.3.2 先進(jìn)加工工藝

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類新加工工藝在汽車座椅輕量化的進(jìn)程上起著越來越關(guān)鍵的作用。通過這些特殊的加工工藝，在維持原有性能不變的情況下可以使座椅零部件降低10%～20%的質(zhì)量[26]。

汽車座椅上的塑料件如內(nèi)外護(hù)板、調(diào)節(jié)扶手、座椅背板等，可采用微發(fā)泡工藝，實(shí)現(xiàn)塑料零件質(zhì)量降低。微孔注塑發(fā)泡是指向塑料熔體中引入微小泡孔，然后注入型腔內(nèi)部使制品內(nèi)部用氣體代替原有的塑料，從而達(dá)到減重的目的[27-28]。目前微發(fā)泡技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到汽車各種結(jié)構(gòu)件、內(nèi)外飾件，實(shí)現(xiàn)單件零件質(zhì)量降低20%～40%[29-31]。

片狀模塑材料(SMC)是一種強(qiáng)度高且密度小的高分子材料，經(jīng)過模壓成型可得到形狀復(fù)雜的各類結(jié)構(gòu)[32]。好的模壓工藝可以使SMC制件性能好、尺寸精度高、產(chǎn)品表面質(zhì)量?jī)?yōu)異。該材料及成型工藝，可應(yīng)用到座椅前排坐墊骨架坐盆，后排骨架背板的成型。SMC模壓成型已經(jīng)在汽車零件中推廣，并取得良好減重效果。李波等[33]使用新型SMC 復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材作為汽車車身翼子板用材，在保證性能要求的前提下，通過模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)減重20%。吳鳳楠等[34]對(duì)比了SMC片材和PCM片材，在不同模壓工藝下，力學(xué)性能的差異點(diǎn)，PCM力學(xué)性能優(yōu)于SMC，但其預(yù)浸料鋪層工藝較SMC更為復(fù)雜。李菁華等[35]將SMC材料用到了商用車門下裝飾板的成型，并探究了成型工藝對(duì)SMC成型過程的影響，最終得到了減重23%但成本上升不超過10%的產(chǎn)品。李燕龍等[36]在開發(fā)某新型純電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋的過程中，使用SMC材料替代傳統(tǒng)的金屬材料，實(shí)現(xiàn)了單品質(zhì)量降低23%的目標(biāo)。

2 結(jié)束語

本文圍繞汽車座椅輕量化，從座椅輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料應(yīng)用和先進(jìn)工藝使用3個(gè)角度分別探討了結(jié)構(gòu)、材料和工藝對(duì)座椅輕量化的影響。通過分析得出，若僅從三者中某一個(gè)角度出發(fā)，最終并不能得到減重效果令人滿意的座椅。而成功的案例往往是一個(gè)多層級(jí)循環(huán)往復(fù)的過程：需要從材料選擇到工藝參數(shù)的不斷調(diào)整，再到針對(duì)該材料、工藝，進(jìn)行一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，之后通過不斷優(yōu)化，反復(fù)驗(yàn)證，最終才能研發(fā)出既能滿足各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求，質(zhì)量又低于常規(guī)的輕量化的汽車座椅。

此外，針對(duì)整車零部件輕量化的結(jié)構(gòu)、材料和工藝，亦可以逐步拓展到汽車座椅的零部件生產(chǎn)上，且汽車座椅本身作為一個(gè)總成件，可將多種材料和工藝結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過單個(gè)零件降低質(zhì)量的不斷累積，最終實(shí)現(xiàn)整椅質(zhì)量的降低。

來源：《汽車零部件》作者：丁美娟?

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